Evaluación de la resistencia a la fricción en la interfaz de geomembranas, para su uso en depósitos de relaves Angela Menz (1); Gonzalo Jara (2); Ornella Vacca (3); (1) Ingeniero de Proyectos, Golder Associates S.A. (2) Gerente de Proyectos, Golder Associates S.A. (3) Directora de Proyectos, Golder Associates S.A.
[email protected]; Magdalena 181, Las Condes, Santiago Resumen El uso de geomembranas en el diseño de depósitos de relaves tiene variadas aplicaciones como son: control de filtraciones que se generan a través de la base del muro, reducción de pérdidas de agua de drenaje y revestimiento de piscinas de recuperación de agua. En el mercado existe una gran variedad de geomembranas que son empleadas para estos fines. Para propósitos de diseño, es necesario conocer las propiedades de cada una de ellas y la resistencia a la fricción en la interfaz que se desarrolla en el contacto con suelos, material de drenaje y relaves. Este artículo presenta los resultados de un programa de ensayos realizado para evaluar la resistencia en la interfaz entre distintos tipos de geomembranas y materiales como suelo, material de drenaje y relaves, para un rango de esfuerzos verticales entre 50 a 3.000 kPa. Además, al final de cada ensayo se ha realizado una completa descripción visual, determinación del espesor y resistencia a la rotura de cada geomembrana ensayada. Las geomembranas usadas han correspondido a una geomembrana de HDPE (espesor 1,5 mm) y tres tipos de geomembranas bituminosas (Coletanche SC1, ES1, ES3). Palabras‐Clave: geomembranas bituminosas, resistencia a la fricción Abstract The use of Geomembranes in tailings storage facilities has many applications such as providing seepage control through dam and reducing drainage water losses or for pond lining. There is a wide variety of geomembrane liners available on the market today; so for design purposes it becomes necessary to know the properties of each of them and the friction resistance developed at the contact with soil, tailings and drainage material. This paper presents the results of a laboratory test program of a specific Project, conducted in order to evaluate the interface resistance between different types of geomembranes and materials such as soil, drainage material and tailings, under vertical stresses between 50 and 3.000 kPa. Additionally, visual assessment of each liner sample after shear tests was carried out and thickness and tensile properties evaluated. The geomembrane types evaluated are a smooth 1,5 mm HDPE geomembrane and three kinds of bituminous geomembrane (Coletanche SC1, ES1 and ES3). Keywords: bituminous geomembrane, friction resistance 26 al 28 de Noviembre de 2014 www.sochige2014.cl 5% de polietileno. Para efectos del estudio llevado a cabo.cl . sin embargo es escasa la información relativa a geomembranas de tipo bituminosa. 1 Introducción En la actualidad.000 kPa. [2]. de superficie lisa y 1. [3]) están en un rango entre 17° y 30° para geomembranas de polietileno de alta densidad (HDPE). como pueden ser suelo de fundación. correspondientes a espesor y resistencia a la tracción en el sentido longitudinal (dirección de la máquina de fabricación). La Tabla 1 presenta las principales propiedades de las geomembranas utilizadas. El programa de ensayos consideró la evaluación de 3 geomembranas bituminosas tipo Coletanche (referencia proveedor SC1. basados en datos de cada proveedor. Los valores recomendados por diversos autores ([1]. arena de relaves y lamas. Se evaluó la resistencia a la fricción en las distintas interfaces. material de drenaje. Se diferencian por espesor. posteriormente. Con el propósito de evaluar la aplicabilidad de geomembranas bituminosas en el diseño de un tranque de relaves con un muro proyectado de aproximadamente 200 m de altura. Considerando estas aplicaciones. y entre 21° y 30° para geomembranas de PVC. El presente artículo detalla los principales resultados obtenidos en este estudio. la evaluación de la integridad de distintos tipos de geomembranas en la interacción con materiales de distintas características geotécnicas. resistencia a la tracción y elongación a la rotura. 26 al 28 de Noviembre de 2014 www.sochige2014. estas geomembranas fueron ensayadas sin el film anti perforación. y. y esfuerzos verticales comprendidos entre 50 y 3. ES3) y los resultados fueron comparados con las características de una geomembrana de HDPE lisa.5 mm de espesor. compuesta aproximadamente por un 97. ES1. la variación de las características físicas (espesor e integridad) y mecánicas (propiedades a la tracción) de las geomembranas tras ser sometidas a altos niveles de carga. 2 Materiales utilizados Propiedades de las geomembranas ensayadas Las geomembranas tipo Coletanche están compuestas por un geotextil no tejido impregnado de betún elastómero. tiene gran importancia en el diseño de depósito de relaves. con acabado de arena en una de sus caras (200 g/m2) y provista de un film anti perforación en la cara opuesta. En la literatura es posible encontrar valores recomendados de ángulo de fricción en la interfaz suelo ‐ geomembranas de polietileno y de PVC. diversos tipos de geomembranas están disponibles en el mercado para su uso en el control de filtraciones y reducción de pérdidas de agua en los tranques de relaves. se llevó a cabo un programa de 11 series de ensayos de Corte Directo con distintas configuraciones suelo – geomembrana. La geomembrana de HDPE corresponde a una geomembrana flexible. y arena de relaves. 1 se muestran las curvas de distribución granulométrica de los materiales ensayados.4(A) 6. D.5 22 60 4. clasificadas como CL. Propiedades geotécnicas de los suelos y relaves ensayados Se ensayaron distintos tipos de materiales. que para este estudio correspondieron a cajas de dimensiones 15x15 cm y 30x30 cm. más la envolvente del material de drenaje. Por último.2 (*) ‐ (*) ‐ (B) 17.5 20.C.0 . arena de relaves. material de drenaje.5 40 700 Referencia: fichas técnicas de Proveedor Axter / Coletanche (geomembranas bituminosas) y GSE Environmental (geomembrana HDPE). se utilizaron agregados manufacturados limpios con cantos angulares. En la Tabla 2 se presenta un resumen con las principales propiedades geotécnicas de los materiales ensayados y en la Fig. correspondientes a los suelos de fundación ‘S1’ y ‘S2’.C. La arena de relaves corresponde a una arena limosa (SM) con 17% de finos no plásticos.sochige2014. Para el suelo de fundación. (B) 26 al 28 de Noviembre de 2014 www. cuyas envolventes granulométricas estuvieron definidas por las dimensiones de la caja de corte directo.0(A) 14. Tabla 1 – Propiedades de las geomembranas utilizadas en el estudio Tipos de Geomembrana / Propiedades Geomembrana Bituminosa SC1 Geomembrana Geomembrana Geomembrana Bituminosa ES1 Bituminosa ES3 lisa de HDPE Espesor (mm) Resistencia a la tracción (kN/m) Elongación (%) 2. para representar a las lamas se ensayó un material correspondiente a arcillas inorgánicas de baja plasticidad.4 0 0 17 >50 NP NP NP NP NP >7 Clasificación USCS d max (kN/m3) SP‐SM SM SP / SW GW / SW SM CL (A) D.S. y el material ‘S2’ corresponde a arena limosa (SM). Tabla 2 – Propiedades geotécnicas de los materiales ensayados Material % finos IP Suelo de fundación ‘S1’ Suelo de fundación ‘S2’ Material de drenaje (15x15) Material de drenaje (30x30) Arena de relaves Lamas 9. se ensayaron dos tipos de materiales representativos del área de estudio.7%.cl opt (%) 21. (*) Sin información de ensayos de Densidad Relativa.7 23.8 33 60 1.S.4% de finos no plásticos. según Ensayo Proctor Modificado.M. según Ensayo Proctor Estándar. Para representar a un material que cumpliera las funciones de dren.M. con 23. peso específico de los sólidos y ensayos de compactación. con contenido de finos no plásticos de 9. con el propósito de representar las características geotécnicas de: material a ser usado como suelo de fundación. La caracterización geotécnica incluyó ensayos de clasificación USCS.7 10. El material ‘S1’ corresponde a una arena limosa pobremente graduada con presencia de grava (SP ‐SM).2 25 40 3.0 12.2(A) 15. y lamas. identificados como ‘S1’ y ‘S2’. La fuerza de corte fue aplicada a la mitad superior de la caja. Las muestras de geomembrana fueron fijadas a la mitad inferior de la caja de corte directo con el sentido longitudinal en la dirección del corte. Fig.sochige2014. Observación visual y verificación de la integridad de la geomembrana. según norma ASTM D5199 [5]. se compararon muestras de geomembrana bituminosa SC1 y de HDPE. Para simular esta situación se ensayaron las interfaces geomembranas ‐ arena de relaves y geomembrana ‐ material de drenaje. para un rango de esfuerzos verticales entre 50 y 3. para evaluar las características mecánicas post ensayo de los diferentes tipos de geomembrana.cl . en su interacción con suelo natural y lamas. Los ensayos realizados consistieron en: Ensayos en cajas de corte directo para determinar la resistencia a la fricción entre los distintos materiales y geomembrana. éstas fueron montadas con el 26 al 28 de Noviembre de 2014 www. Para evaluar la condición del revestimiento del talud aguas arriba de un muro y cubeta. En el caso de las muestras de geomembrana bituminosa. Determinación de espesor. sólo se consideraron muestras de geomembrana bituminosa (SC1. y de propiedades de tracción. Para evaluar la resistencia a la fricción de una geomembrana bajo el muro y el sistema de drenaje. ES1 y ES3). según norma ASTM D5321 [4]. debido a sus características conocidas de fricción y alta resistencia al punzonamiento.000 kPa. ambas montadas sobre suelo de fundación. 1 – Curvas y bandas granulometricas de los materiales ensayados 3 Programa de ensayos y características de las interfaces El programa de ensayos de resistencia al corte se realizó con el propósito de determinar el comportamiento en la interfaz suelo – geomembrana. según norma ASTM D7275 [6]. posterior al ensayo de corte directo. 100.600. 100. 2. Las muestras del suelo ‘S2’ se compactaron a una densidad aproximada de 13. 3. Las muestras de suelo de fundación.400. 600. 400.400.600.600.M. 2. 2.600.cl . 400.400.5% (~ 92% DMCS Proctor Modificado).140 Material de drenaje ES1 Suelo ‘S1’ 100.400. 3. 250 Arena de relaves SC1 Suelo ‘S1’ 800. Tabla 3 – Ensayos geomembrana bituminosa SC1 Ensayo Dimensiones caja de corte directo Caja superior Geomembrana Caja inferior Esfuerzo vertical (kPa) #1 30 cm x 30 cm #2 15 cm x 15 cm #3 15 cm x 15 cm #4 15 cm x 15 cm Suelo ‘S1’ SC1 Suelo CL 200.0% (correspondiente al ~ 95% de la DMCS Proctor Modificado).5 kN/m3 con un contenido de humedad de 8.0 kN/m3 con un contenido de humedad de 6. 1. material de dren y relaves fueron remoldeadas al interior de las cajas de corte directo.140 Material de drenaje ES1 Suelo ‘S1’ 800.S. Las muestras de arena de relaves se compactaron a una densidad aproximada de 14. El suelo clasificado como ‘CL’ se compactó a una densidad de 19.400.2 kN/m3 con un contenido de humedad del 10% (~ 95% DMCS Proctor Modificado).sochige2014. acabado de arena en contacto con el material de la caja superior (interfaz donde se mide el ángulo de fricción) y la cara opuesta contra el material de soporte. 1.4% (~ 83% DMCS Proctor estándar).600. En las Tabla 3 a Tabla 6 se muestra la configuración de montaje para cada tipo de geomembrana y los esfuerzos verticales (v) utilizados en cada serie de ensayos.140 Arena de relaves ES1 Suelo ‘S2’ 800. de 20. 1.1 kN/m3 con un contenido de humedad de 1. 3. de la siguiente manera: Las muestras de suelo ‘S1’ se remoldearon a una D. 250 Arena de relaves ES1 Suelo ‘S1’ 800. 2. El material de drenaje se compactó en la caja de corte directo a una DMCS de aproximadamente 18. 785 Arena de relaves SC1 Suelo ‘S2’ 50.5%. 3.140 Material de drenaje SC1 Suelo ‘S1’ 800. 2.3 kN/m3 con un contenido de humedad del 12.140 Tabla 4 – Ensayos geomembrana bituminosa ES1 Ensayo Dimensiones caja de corte directo Caja superior Geomembrana Caja inferior Esfuerzo vertical (kPa) #5 15x15 #6 15x15 #7 15x15 #8 15x15 ##99 30x30 Arena de relaves ES1 Suelo ‘S2’ 50.C. 1. 600 26 al 28 de Noviembre de 2014 www. 1. 3. 200. se muestran los valores del ángulo de fricción en las interfaces (asumiendo cohesión nula) y el rango de deformación donde se alcanza la resistencia máxima y residual. Tabla 5 – Ensayos geomembrana ES3 Ensayo Dimensiones caja de corte directo Caja superior Geomembrana Caja inferior Esfuerzo vertical (kPa) #10#10 15x15 Material de drenaje ES3 Suelo ‘S1’ 800. principalmente ante punzonamiento. para la determinación del ángulo de fricción entre las interfaces se consideraron sólo los ensayos con esfuerzos verticales menores a 400 kPa. se evaluó mediante observación visual el comportamiento de las geomembranas. Por este motivo. se produce rotura (en dirección del ensayo) del borde de la geomembrana anclado al equipo (Fig.400.5 mm) Suelo CL 200. 26 al 28 de Noviembre de 2014 www. 2. En las Fig. 3) y los resultados resultan afectados. desgarro y/o rotura. 8 se muestran las envolventes de la resistencia máxima y residual de estos ensayos.600. 4 a Fig. ensayada a 600 kPa. (Ensayo #9) Fig. Para esfuerzos mayores.140 Tabla 6 – Ensayos geomembrana HDPE(e=1. La observación visual realizada durante los ensayos de corte directo demostró que el ensayo de caracterización mecánica de las interfaces geomembrana ‐ suelo es válido hasta esfuerzos verticales de 400 kPa. 2 y Fig. (Ensayo #11) En la Tabla 7.cl . 400. bajo esfuerzos verticales v < 400 kPa. Fig. en la interacción con los distintos tipos de materiales y ante los distintos niveles de carga utilizados. 1. 3 – Interfaz Geomembrana HDPE – suelo de fundación ensayada a 785 kPa. 600. 2 – Interfaz Geomembrana ES1 ‐ material de drenaje. 3.sochige2014.5mm) Ensayo Dimensiones caja de corte directo Caja superior Geomembrana Caja inferior Esfuerzo vertical (kPa) ##1111 30x30 Suelo ‘S1’ HDPE (e=1. 785 4 Resultados del programa de ensayos Durante la ejecución de los ensayos de corte directo. 7 – Interfaz Material de drenaje – Geomembrana ES1 (Ensayo #9) 26 al 28 de Noviembre de 2014 www.7° máx 19.7 33.1 0.4 – 1.3 7.7 7.6 – 3.2 – 3.3 – 0.5 Desplazamiento (*) Δ (máx) (min – max) Δ (residual) (cm) (cm) 2.2 7.cl .8 ≥38.8° = 30.5 0.8 32.1° 30.5 0. Tabla 7 – Resultados ensayos de resistencia a la fricción suelo ‐ geomembrana (máx) (°) ≥33.4 ≥24.1 Ensayo #1 #2 #5 #9 #11 (*) Ángulo de fricción (residual) (°) ≥19.5 Medido para esfuerzos verticales v < 400 kPa.1° res = 33.9 30.6 7.7 7. 6 – Interfaz Arena de relaves – Geomembrana ES1 (Ensayo #5) Fig.3 ≥28.0 ≥20.9° 0 0 0 200 400 600 0 800 v (kPa) 400 600 800 v (kPa) Fig. 5 – Interfaz Arena de relaves – Geomembrana SC1 (Ensayo #2) Fig.1 2. 800 800 Envolventes de resistencia Máxima Residual 600 Envolventes de resistencia Máxima Residual 600 400 400 200 200 máx res 33.sochige2014. 4 – Interfaz Suelo ‘S1’ – Geomembrana SC1 (Ensayo #1) 200 Fig.4 – 2. en la interacción con el material de drenaje (material más grueso) y principalmente cuando fueron sometidas a 3140 kPa de carga vertical. 10 – Geomembrana ES1 vs material de drenaje a 3140 kPa (Ensayo #8) 26 al 28 de Noviembre de 2014 www. se observó una perforación de 6. En la geomembrana bituminosa ES3. arena de relaves y lamas. Posterior a la ejecución de los ensayos de corte directo. particularmente. Fig. (kPa) Fig. Sin embargo. 9 – Geomembrana SC1 vs material de drenaje a 3140 kPa (Ensayo #4) Fig.10).3 mm.5mm) (Ensayo #11) Para las geomembranas SC1 y ES1 en contacto con material de suelo de fundación.sochige2014. 8 – Interfaz Suelo ‘S1’ – Geomembrana HDPE (e=1. en donde no se detectaron daños al punzonamiento o desgarros en el área en contacto con los materiales de suelo de fundación.cl . Estos daños se produjeron en el borde en contacto con la caja de ensayo (Fig. bajo el rango de esfuerzos verticales aplicados. en el caso de la geomembrana ES1. arena de relaves y material de drenaje. no se observaron desgarros ni punzonamiento en ninguna de las condiciones de montaje. se estiman ángulos de roce () máximos superiores a 32° y residuales mayores a 19°. 9 y Fig. algunos daños fueron detectados en las muestras de geomembrana SC1 y ES1. los ángulos de fricción máximo y residual se estiman en 28° y 20°. se realizó una observación visual de las geomembranas bituminosas y de HDPE. para el caso de la geomembrana de HDPE en la interfaz con suelo de fundación. se procedió a la determinación del espesor y propiedades a la tracción de cada una de las muestras sometidas a los esfuerzos verticales máximos de cada serie de ensayo. y una reducción de la resistencia a la rotura y aumento de la elongación.2 20 94 1.8 mm y de resistencia a la rotura de 25 kN/m a 13 kN/m. 6 Conclusiones Geomembrana de HDPE y geomembranas bituminosas fueron ensayadas para evaluar la aplicabilidad en distintas configuraciones de diseño para tranques de relaves. Tabla 10 – Ensayos geomembrana ES3 Ensayo Valor nominal(*) 4.9 20 97 2.5 Resistencia a la rotura (kN/m) 22 Elongación a la rotura (%) 60 (*) #5 #6 #7 #8 ##99 2.5 25 64 0. Tabla 9 – Ensayos geomembrana ES1 Ensayo Valor nominal(*) Espesor (mm) 3.2 mm a 0.5 Espesor (mm) Resistencia a la rotura (KN/m) 40 700 Elongación a la rotura (%) (*) #11 11 1.sochige2014. Los resultados de estos ensayos se presentan en las Tabla 8 a Tabla 11.0 23 53 1.8 20 61 0. con una reducción del espesor de 2.5mm) #10 2.9 19 92 2. la mayor reducción del espesor y de resistencia a la rotura fue en la geomembrana SC1. Dichos ensayos 26 al 28 de Noviembre de 2014 www. Junto a la observación visual de cada ensayo y principalmente para evaluar el comportamiento a de las geomembranas tras ser sometidas a cargas. Tabla 8 – Ensayos geomembrana SC1 Ensayo Valor nominal(*) Espesor (mm) 2. Para el caso de las geomembranas bituminosas la mayor reducción del espesor y de sus características mecánicas se produce cuando se someten a esfuerzo vertical de 3140 kPa y en la interacción con material de drenaje.4 19 86 Valor referencia Proveedor.8 13 49 Valor referencia Proveedor. Los ensayos de verificación de la integridad de las geomembranas bituminosas indicaron una significante reducción en el espesor. Tabla 11 – Ensayos geomembrana HDPE(e=1.9 19 93 1.8 Espesor (mm) Resistencia a la rotura (KN/m) 33 60 Elongación a la rotura (%) (*) Valor referencia Proveedor.6 40 633 Valor referencia Proveedor. De los tres tipos de geomembranas bituminosas ensayadas.2 Resistencia a la rotura (kN/m) 25 Elongación a la rotura (%) 40 (*) #1 #2 #3 #4 1.8 26 89 Ensayo Valor nominal(*) 1.cl . . en interacción con material de drenaje y sometidas a carga máxima de confinamiento de 3140 kPa. Fifth Edition. [5] ASTM D5199‐11 “Standard Test Method for Measuring the Nominal Thickness of Geosynthetics”. [7] Golder Associates S. con ángulos de roce () máximos superiores a 32° y residuales mayores a 19°. todos los resultados obtenidos con las geomembrana bituminosas mostraron buen comportamiento a la fricción.. ES1 y ES3. Garrido H. Referencias [1] Koerner R. [4] ASTM D5321‐08 “Standard Test Method for Determining the Coefficient of Soil and Geosynthetic or Geosynthetic and Geosynthetic Friction by the Direct Shear Method”. siendo compatibles con los valores encontrados en distintas publicaciones [2] [3] y base de datos de otros proyectos [7]. En relación a los ensayos de Corte Directo válidos para la determinación del ángulo de fricción en la interfaz (n < 400 kPa). Bard E. [3] Bard E. Por último se puede mencionar que la elección de un tipo u otro de geomembrana depende de las características de resistencia a la fricción que se requieran para asegurar la estabilidad del tranque. En cuanto al comportamiento de las geomembranas bituminosas. “Depósito de Ripios Lixiviados – Caracterización interfaz de material granular y geomembrana”. [2] Andrade C. Designing with Geosynthetics.sochige2014. no se observaron diferencias particulares entre las geomembranas tipo SC1. Campaña J. Campaña J. 4° Congreso Chileno de Ingeniería Geotécnica. 26 al 28 de Noviembre de 2014 www. tras ser sometidas a carga máxima de 785 kPa. Pearson Prentice Hall. 12th Panamerican Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. “Caracterización Geotécnica de Interfaces de materiales granulares y geomembrana”. donde es clara la necesidad de poner una protección mecánica para reducir la posibilidad de daños. no se detectaron diferencias significativas en comparación a los valores nominales de la resistencia a la rotura.(2005). más que unos pequeños daños observados en las geomembranas SC1 y ES1 en el borde en contacto con la caja de corte.A. Ángulos de fricción máximo y residual para la geomembrana de HDPE lisa fueron estimados en 28° y 20° respectivamente. consistieron en reproducir en laboratorio las condiciones de terreno a las que va a estar sometida la geomembrana.cl . [6] ASTM D7275‐07 (2012) “Standard Test Method for Tensile Properties of Bituminous Geomembranes (BGM)”.. Cabe señalar que la geomembrana de HDPE no fue sometida a ensayos con materiales drenantes. disminución del espesor y reducción de la resistencia a la rotura fueron detectados en todas las muestras de geomembranas bituminosas tras ser ensayadas a las presiones máximas del estudio. (1997). (2003). & Paredes L. En el caso de la geomembranas de HDPE. Base de datos diferentes Proyectos. En relación al comportamiento posterior a los ensayos de corte..... la resistencia al nivel de cargas que estará sometida durante su vida útil y los costos involucrados en la adquisición e instalación de cada una de éstas.